岩溶、节理发育地段隧道进洞三维数值模拟分析

钟 华，刘 巍，谭 耿，钱海洋

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011)

0 引言

在我国“一带一路”国家战略推动下，广西作为我国与东盟国家连接枢纽，其基础设施建设迎来大发展，交通运输网不断扩张与加密，目前广西高速公路网规划为“6横7纵8支线”(详见图1)。公路建设不可避免地穿越高山、险峰等障碍物，因

此，隧道工程在建设过程中成为关键控制性工程。隧道施工涉及的岩土属性具有明显的地域性、隐蔽性和复杂性，在实际施工过程中很难综合、准确地分析围岩体与隧道结构相互作用。同时，岩土工程理论又严重滞后于施工，这显著增加了复杂地质条件下隧道施工的安全风险。

图1 广西高速公路规划图

随着隧道开挖、支护形式的增多，国内外学者对隧道施工技术的研究不断深入，并在理论、数值模拟等方面都取得了巨大成果。杨臻[1]研究了极限分析法在节理裂隙隧洞的应用效果，提出强度折减法计算隧道穿越节理岩体施工的安全系数；马海萍[2]基于断裂破坏理论，结合单轴、双轴压缩试验结果，提出侧压力系数和节理裂隙的角度对隧道开挖过程的影响很明显，建议施工过程中加强破碎岩体预支护；史世雍[3]统计了我国数十个岩溶隧道的变形规律，提出溶洞会诱发隧道围岩大变形；吴梦军[4]借助有限元方法分析了溶洞尺寸等对朝东岩石隧道施工围岩稳定性的影响。目前，针对复杂地质条件对隧道稳定性研究，仅考虑了单因素作用的影响，综合考虑节理、岩溶对隧道进洞围岩受力变形的研究极少。

1 工程概况

1.1 地质条件

陇禁隧道位于崇左市龙州县上金乡两岸村陇禁屯北侧。隧址处属岩溶峰丛洼地地貌，地形起伏较大，山体连绵起伏。隧道主要穿越中风化白云质灰岩和微风化白云质灰岩等地层，洞身埋深较深，进出口段山体斜坡自然坡角约55°～80°。隧道进口端局部节理裂隙发育，岩体破碎，节理贯通性较差，裂隙面平直粗糙，无充填，裂隙密度达为3～4条。

1.2 结构概况

隧道设计为高速公路双洞单向交通行车两车道分离式小间距隧道，左右线全长分别为351 m和330 m。汽车荷载设计等级为公路-Ⅰ级，设计行车速度为100 km/h。隧道设计尺寸为13.25 m×5.0 m，纵坡均为单向坡，纵坡坡率均为0.5%。隧道开挖支护形式为整体采用复合式衬砌，初支采用钢拱架+喷锚支护，二衬为模筑钢筋混凝土(见图2)。

图2 陇禁隧道设计图

2 三维数值模型建立

2.1 模型尺寸及边界条件确定

陇禁隧道设计宽为16.20 m，设计高为11.39 m，每次开挖进尺5 m，洞口正立面如图3所示。采用数值有限元软件FLAC3D建立隧道进口段整体有限元模型，仿真模拟节理、溶洞对隧道进洞施工围岩稳定性的影响。

图3 陇禁隧道洞口断面简图

众所周知，模型边界是影响模拟结果的重要因素。三维模型边界应根据工程实际情况添加位移边界条件，当隧道开挖轮廓线与模型边界距离较小，位移边界会影响隧道结构受力和变形，使计算结果与隧道实际受力变形值相差较大。研究表明[5-7]，隧道开挖引起地表沉降变形范围约1～3倍隧道直径，当隧道开挖边界线与模型边界线的距离大于5倍隧道直径时，隧道开挖施工对周边环境影响可忽略不计。

因此，选取X方向3倍设计宽度，Y方向4倍开挖进尺，Z方向3倍开挖高度为模型区域，模型尺寸为(X方向、Y方向、Z方向)120 m×20 m×70 m。通过有限元软件ANSYS对模型进行前处理得到数值模型如图4所示。

图4 ANSYS数值模型图

有限元软件ANSYS软件后处理速度慢且精度较差，通过ANSYS-FLAC3D转换程序，将已赋予材料属性的整体模型导入FLAC3D软件，得到含节理、溶洞的整体三维模型网格如图5所示。

图5 FLAC3D整体三维模型网格图

2.2 模型计算参数赋值

陇禁隧道左右线洞身围岩级别主要为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，其分布及比例见表1。洞口段为Ⅴ级围岩，岩体较破碎，整个垂直岩面存在横纵相交节理，自稳能力差。左洞口上方存在直径为6 m的溶洞和不稳定孤石，溶洞走向沿小桩号发展，洞内无填充物。

表1 岩体力学参数表

根据设计文件及现场实际施工条件，为保证围岩稳定和限制地表沉降位移，洞口及洞身均采用三台阶法开挖，洞口采用大管棚+钢拱架+喷锚+二次衬砌等复合支护形式。大管棚直径为108 mm，钢拱架间距为700 mm，初期支护混凝土厚度为240 mm。其中，围岩体为实体单元，采用摩尔库伦本构模型模拟；锚杆、管棚材料为植入式梁单元，采用弹性模型模拟；初期支护采用壳单元模拟。岩体计算参数如表1所示。

初期支护中包含大管棚、钢拱架、锚杆和混凝土材料，各材料属性均不同，则初支结构的力学参数不能单独用混凝土或钢拱架参数代替。模型计算过程中，应采用等效刚度原理计算初期支护的力学参数。陇禁隧道初支及二衬力学参数详见表2。

表2 陇禁隧道初支、二衬力学参数表

2.3 施工阶段划分

根据陇禁隧道实际开挖、支护方式，仿真模拟隧道左右线各施工阶段。结合三台阶法施工顺序，单个进尺施工阶段划分如下：

(1)建立模型网格单元。

(2)自重应力场分析/初始应力场分析，位移清零。

(3)施作大管棚或超前小导管，对围岩进行预加固处理。

(4)开挖上台阶部分岩体计算、初期支护施加计算。

(5)开挖中台阶部分岩体计算、初期支护施加计算。

(6)开挖下台阶部分岩体计算、初期支护施加计算。

(7)开挖仰拱部分岩体计算、初期支护施加计算。

(8)二次衬砌施加计算。

3 计算结果分析

3.1 初始应力分析

根据隧道初始条件及实际施工情况，模拟陇禁隧道场地初始应力状态，计算结果云图如图6所示。

通过对隧址初始应力阶段的竖向位移、竖向应力和水平应力云图分析，可知：

(1)岩体上表面应力和位移基本为0，初始地应力为0，表明模型自平衡效果较好。

(2)模型竖向应力从上至下逐渐增加，下表面应力为1.6 MPa。由于上部岩体自重，下部岩体自重应力随着岩体厚度增加而增加，模型下表面自重应力最大。

3.2 陇禁隧道左线进洞分析

随着时间推移，围岩不断趋向稳定，模拟中、下台阶开挖施工时，假定围岩体已完成应力重分布，并形成新的平衡状态。图7和图8分别为陇禁左线进洞阶段累计竖向位移云图及累计竖向应力云图。

(a)竖向位移云图

(b)竖向应力云图图6 初始应力阶段云图

图7 左洞进洞竖向位移云图

图8 左洞进洞竖向应力云图

由陇禁隧道进洞过程的累计竖向位移、竖向应力云图可得：

(1)下台阶开挖过程，拱顶沉降变形及开挖水平面附近累计位移分别为6.3 mm和6.1 mm，两者变化量均为0。可能原因为该部分岩体完整性较好，基本不存在纵横节理，围岩自稳能力较强。

(2)围岩拱顶及开挖面附近累计竖向应力约为2.4×104 Pa，模型下表面累计竖向应力约为-1.7×106 Pa，围岩应力增量基本为0，围岩处于安全稳定状态。

(3)塑性区面积沿开挖轮廓线向拱脚不断延伸，但总影响范围处于可控状态。初期支护结构拱脚位移最大，累计竖向位移为3 mm。

3.3 陇禁隧道右线进洞分析

陇禁隧道右线洞口岩面存在纵横相交的节理，节理间隙及密度较大，洞口右上角存在直径为6 m的溶洞，洞内无填充物。模拟隧道右洞进洞施工，模型计算结果如图9～10所示。

图9 右洞进洞竖向位移云图

图10 右洞进洞竖向应力云图

由右洞进洞的竖向位移、竖向应力云图可得：

(1)拱顶沉降变形及开挖水平面附近累计位移量分别为8.4 mm和5.6 mm，右洞围岩变形明显比同阶段左洞围岩变形大，拱顶沉降变形差值约1.9 mm。

(2)围岩拱顶及开挖面附近累计竖向应力约为2.5×105 Pa，模型下表面累计竖向应力约为-1.7×106 Pa，围岩应力变化较小，围岩处于安全稳定状态。右洞拱顶围岩总应力明显比同阶段左洞拱顶围岩应力大，拱顶最大应力差为0.1×104 Pa。

4 监控量测分析

陇禁隧道开挖后，在拱顶位置设置相应位移监控点，洞口20 m范围设置5个拱顶测点，分别为1#、2#、3#、4#、5#测点，每个测点间距为4 m。由于隧道光线较暗，将反光片贴在初期支护结构上作为观测点。隧道右洞口位移监测点的正立面图见图11。

图11 隧道洞口监测点正立面图

根据设计文件及相关规范要求，隧道围岩竖向位移监控周频率为每天一次，随着开挖深度的增加，可减小洞口监测测频率，隧道进口竖向位移前6期观测数据如表3所示。

表3 各测点竖向位移表(mm)

由表3可知，随着隧道开挖深度增加，各测点竖向位移逐渐增加，增加速率逐渐减小，最后保持不变；拱顶最大沉降量为11.3 mm，远小于其预警值8 cm，隧道基本处于稳定状态。但是，隧道左右洞口为陡坡、陡壁，且基岩完全裸露，斜坡地表存在崩积岩堆，陡崖岩体被高角度的节理裂隙切割，左洞存在危岩体且围岩风化卸荷强烈，围岩稳定性非常差，施工过程偶有落石和掉块现象发生，为保证现场施工人员安全，应增加该区域岩体的位移监测，清除表面危岩体，并加强防护。

5 结语

本文以崇水高速公路的陇禁隧道为工程背景，采用有限元软件ANSYS和FLAC3D建立以隧道左右洞口、溶洞和节理裂隙为对象的整体三维模型，综合分析节理、溶洞隧道进洞施工对围岩受力变形特性的影响，可得：

(1)隧道开挖会使围岩体受力和变形发生改变，拱顶最大位移为8.8 mm，随着开挖过程的不断推进，拱顶应力和沉降变形不断增加。隧道开挖的影响范围较小，模型下表面应力及位移基本不发生改变。

(2)隧道右洞施工诱发围岩累计变形普遍大于同阶段左洞围岩位移，表明岩溶对隧道进洞围岩的稳定性影响较大，但总应力及累计变形均在可控范围内，不危及隧道结构安全。

(3)隧道洞口虽为Ⅴ级围岩，但总应力处于较低水平，围岩最大累计位移约1 cm，远小于预警值，洞口三台阶开挖及复合支护形式能满足隧道围岩变形及稳定性要求。